Actividad de tercer corte 1. Título de la propuesta: Energía Solar Fotovoltaica En Negocio Comercial.
2. INTRODUCCION El sistema energético actual usado en Bogotá para la generación de energía eléctrica es siniestrado por la energía hidráulica, que se obtiene a través del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua [1], el proveedor de este servicio es la empresa Codensa, actualmente en un local comercial de la localidad el pago de energía mensual es de $ 120.000 pesos promedio, lo que en un año se convierte en $ 1.440.000 pesos. Con el estudio que se pretende hacer del uso de la energía solar fotovoltaica que es una fuente de energía que produce electricidad de origen renovable, obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o bien mediante una deposición de metales sobre un sustrato denominada célula solar de película fina [2]. Con base en los conceptos teóricos planteados, se determina una serie de pasos con el fin de garantizar un buen flujo de información en el proceso de implementación de energía solar fotovoltaica
3. MARCO TEORICO Durante el desarrollo del proceso de implementación de energía fotovoltaica en un local comercial, débenos conocer la historia de la utilización de esta energía, en que consiste la energía solar, partes para realizar un sistema fotovoltaico y conocer cuál es la aplicación a nivel mundial.
3.1. Energía fotovoltaica. El sistema fotovoltaico es un sistema que utiliza celdas solares para convertir la luz solar en electricidad, satisfaciendo los requerimientos de una aplicación determinada. La electricidad generada a partir de la energía solar, se puede utilizar exactamente igual que la electricidad que hay en la red, para viviendas, comercios, oficinas, etc. Un sistema fotovoltaico, sólo resulta rentable en lugares alejados de la red convencional, donde no existe suministro eléctrico, como fuente de energía para bombear agua, electrificar cercas, aireación, etc. Además de utilizar una energía totalmente limpia, estos sistemas no necesitan mantenimiento y no tienen más costo que la inversión inicial. Un sencillo sistema está formado básicamente por un panel solar, un controlador de carga de baterías, un inversor o convertidor de corriente directa en corriente alterna (puede ser opcional) y las baterías de acumulación. Además, los elementos consumidores pueden ser luminarias, radios, televisores, computadoras y otros equipos electrodomésticos [3].
Fig 1. Paneles solares.
3.2. Historia de la energía solar. El efecto fotovoltaico fue descubierto por el francés Alexandre Edmond Bequerel en 1838 cuando tenía sólo 19 años. Bequerel estaba experimentando con una pila electrolítica con electrodos de platino cuando comprobó que la corriente subía en uno de los electrodos cuando este se exponía al sol. La posibilidad de una aplicación práctica del fenómeno no llegó hasta 1953 cuando Gerald Pearson de Bell Laboratories, mientras experimentaba con las aplicaciones en la electrónica del silicio, fabricó casi accidentalmente una célula fotovoltaica basada en este material que resultaba mucho más eficiente que cualquiera hecha de selenio. A partir de este descubrimiento, otros dos científicos también de Bell, Daryl Chaplin y Calvin Fuller perfeccionaron este invento y produjeron células solares de silicio capaces de proporcionar suficiente energía eléctrica como para que pudiesen obtener aplicaciones prácticas de ellas. De esta manera empezaba la carrera de las placas fotovoltaicas como proveedoras de energía [4].
3.3. Costo mercado y producción. La investigación desde 1960 a 1980 se centró en hacer un producto fotovoltaico más y más eficiente que produjese mayor potencia. El aumento de eficiencia de células y módulos fue impresionante. Además los costos bajaron drásticamente ala pasar de piloto a producción semiautomática. Aunque la cifra importante del costo es el $/kwh. Se usa muy frecuentemente [5]. El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977 hasta aproximadamente 0,36 $/Wp en 2014 Figura [2]. Esta tendencia sigue la llamada "ley de Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica
Figura 2.evolucion de precios de la celula fotovoltaica [6].
3.4. Desarrollo de la energía solar fotovoltaica en el mundo. Históricamente, los Estados Unidos lideraron la instalación de energía fotovoltaica desde sus inicios hasta 1997, cuando fueron alcanzados por Japón, que mantuvo el liderato hasta que Alemania la sobrepasó en 2005, manteniendo esa posición desde entonces. A comienzos de 2014 Alemania es, junto a Italia, Japón, China y Estados Unidos, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso [6].
Europa Asia-Pacífico América del norte y sur China África y Oriente Medio Resto del mundo Figura 3 Potencia fotovoltaica mundial instalada hasta 2013, en megavatios (MW), expresada por región
3.5. Componentes de una planta solar fotovoltaica. La planta fotovoltaica cuenta con distintos elementos que permiten su funcionamiento, como son los paneles fotovoltaicos para la captación de la radiación solar, y los inversores para la transformación de la corriente continúa en corriente alterna.109 Existen otros, los más importantes se mencionan a continuación:
3.5.1. Paneles solares. Generalmente, un módulo o panel fotovoltaico consiste en una asociación de células, encapsulada en dos capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre una lámina frontal de vidrio y una capa posterior de un polímero termoplástico (frecuentemente se emplea el tedlar) u otra lámina de cristal cuando se desea obtener módulos con algún grado de transparencia.
Figura 4 célula fotovoltaica. 3.5.2.
Inversores.
La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparato electrónico llamado inversor109 e inyectar en la red eléctrica (para venta de energía) o bien en la red interior (para autoconsumo).
Figura 5 Inversores.
3.5.3.
Seguidores Solares.
El uso de seguidores a uno o dos ejes permite aumentar considerablemente la producción solar, en torno al 30% para los primeros y un 6% adicional para los segundos, en lugares de elevada radiación directa. Los seguidores solares son bastante comunes en aplicaciones fotovoltaicas. Existen de varios tipos: En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al Sol. En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. En un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol. En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.
3.5.4.
Cableado.
Es el elemento que transporta la energía eléctrica desde su generación, para su posterior distribución y transporte. Su dimensionamiento viene determinado por el criterio más restrictivo entre la máxima caída de tensión admisible y la intensidad máxima admisible. Aumentar las secciones de conductor que se obtienen como resultado de los cálculos teóricos aporta ventajas añadidas como: Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables. Posibilidad de aumento de potencia de la planta sin cambiar el conductor. Mejor respuesta a posibles cortocircuitos. Mejora del performance ratio (PR) de la instalación.
Fig. 6 conectores de un panel solar.
4.
PROCESO DE DESARROLLO
Con base en los conceptos de energía solar fotovoltaica, se realizara el estudio para la implementación en un local comercial de la localidad.
4.1. Análisis de Necesidades. A partir de los requerimientos se deben tomar en cuenta todas las variables para el correcto desarrollo del análisis.
• •
Normas para la instalación de energía solar. Precios y marcas de productos para la energía solar.
4.2. Proceso de Instalación. 4.2.1.
Normas para la instalación.
En Colombia el instituto de procesos de calidad Icontec ha creado las normas para la energía solar, la mayor parte de ellas enfocadas en procedimientos para realizar ensayos en estos sistemas. Una buena parte de las normas sobre colectores solares fue publicada a comienzos de los 90’s, mientras que las normas sobre sistemas fotovoltaicos comenzaron a publicarse en 2005. Existen varias normas para definir la terminología, medición y ensayos, sistemas solares para calentamiento de agua, componentes de sistemas solares fotovoltaicos, eficiencia energética, especificaciones, las normas de más importancia son las siguientes: NTC 4368, EFICIENCIA ENERGÉTICA. SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA CON ENERGÍA SOLAR Y COMPONENTES (17/12/1997): La norma mencionada anteriormente define algunos métodos de evaluación de la eficiencia térmica de los sistemas solares térmica, además de definir los requisitos o características que deben tener los colectores de placas planas, los cuales son empleados para calentar el agua. Se contienen algunas clasificaciones para los sistemas solares de calentamiento de agua, los cuales pueden ser:
De acuerdo al uso de energía auxiliar (sistema solar dedicado, sistema de precalentamiento solar y sistemas solar con energía suplementaria). De acuerdo a la relación entre sus componentes (sistemas integrados tanque – colector, sistema termosifón y sistema de circulación forzada). Por otra parte se presentan algunos ensayos y medidas utilizadas en el método de la evaluación de la eficiencia térmica, como lo son: medición de radiación solar, medida de temperaturas, medida de presión, sistemas de registro de datos, ensayo de presión, ensayo para determinar las pérdidas de calor, ensayo de choque térmico, entre otras. NTC 4405, EFICIENCIA ENERGÉTICA. EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS Y SUS COMPONENTES (24/06/1998): La presente norma hace referencia a la metodología para la evaluación de la eficiencia de los sistemas solares fotovoltaicos, distribuyéndose en tres etapas: etapa de paneles o módulos, etapa de regulación y etapa de acumulación. Por otro lado, se contienen algunas definiciones referentes a sistemas solares como: área efectiva del panel, carga de un acumulador, celda fotovoltaica, eficiencia del panel o módulo, energía consumida, irradiación solar incidente, entre otras.
4.2.2.
Esquema de instalación básico de energía solar fotovoltaica.
En la siguiente imagen se muestra un esquema típico de instalacion de energía solar.
Fig. 7 instalación tradicional.
4.3.3. Cálculos de precios. A continuación realizaremos un análisis de los valores para realizar la instalación de energía solar en local comercial vs el costo que tiene anualmente la energía suministrada por codensa.
Jan Kleyn, gerente de Erasmus, explica: “La energía solar es económica, confiable, fácil de instalar y mantener, sin embargo, en Colombia durante muchos años se han utilizado plantas diesel. El kilo vatio hora con diesel le cuesta al estado unos $1200 pesos, a los usuarios se les cobra alrededor de $400 pesos, sin sumarle el costo de la logística y el mantenimiento de los generadores diesel para hacer llegar la energía a lugares remotos. Por el contrario, con los paneles fotovoltaicos el costo por kilo vatio hora es de unos $600, por lo que la generación de energía solar es mejor a la generada con diesel desde el punto de vista económico, ambiental, social y técnico” [8]. “No cabe duda de que la inversión inicial de un generador diesel es mucho menor a la de una instalación solar fotovoltaica de potencia similar, pero los costos de funcionamiento son más bajos; sin embargo, a largo plazo es más rentable porque contribuye a la sostenibilidad ambiental, lo que genera el bienestar de la humanidad”. En el siguiente cuadro se realiza un análisis del consumo de la energía eléctrica en el trascurso de un año en el local comercial donde se está realizando el estudio. Tabla 1 precio de la energía en el local comercial.
MES junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre enero febrero marzo abril mayo
AÑO 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2013 2014 2014 2014 2014 2014 Total Promedio mensual
VALOR $ 122,349 $ 123,400 $ 116,750 $ 110,000 $ 134,500 $ 112,550 $ 134,500 $ 128,700 $ 129,050 $ 129,550 $ 115,830 $ 126,760 $ 1,483,939 $ 123,661
En el siguiente cuadro relaciono los precios para la implementación de la energía solar fotovoltaica.
Tabla 2. Costo de energía implementación solar fotovoltaica. PRECIO IVA DESCRIPCION MARCA INCLUIDO baterías gel libres de mantenimiento 205 Amp AGM $ 720,000 americanas inversores onda pura Prowatt 1000W 12V $ 1,350,000 Xantrex 60amp Reguladores $ 640,000 (12,24 volt) ref C60 paneles solares Kyocera 140W 12V $ 895,000 mano de obra y accesorio Aprotec $ 35,000
CANTIDAD
TOTAL
2
$ 1,440,000
1
$ 1,350,000
1
$
3 1 Total de instalacion
$ 2,685,000 $ 35,000 $ 6,150,000
Observando los resultados obtenidos en un año de servicio del local comercial el precio de funcionamiento es de $ $1.500.000 anuales, el consto de instalación de la energía solar fotovoltaica es de$ 6.150.000, esto quiere decir que en cuatro años se cubrirían los gastos para la implementación de esta energía este instalación tiene una larga vida útil aproximadamente de10 a 15 años sin gastos elevados de mantenimiento, si evaluamos el precio de energía en diez años con el proveedor tradicional sería de $15.000.000 y con la implementación con la energía solar es de $6.150.000 lo que nos da un ahorro de $8.850.000, esto es un gran ahorro que se podría utilizar para las mejores del local comercial.
5. • •
CONCLUSIONES
Con la implementación de este sistema tendríamos un ahorro de $8.850.000, además de que contribuiríamos con el medio de ambiente. Al realizar esta investigación nos damos cuenta que a nivel mundial Colombia tiene muy poca inversión en este tipo de energía, lo que es muy malo ya que la implementación de este tipo de fuente de energía es de un costo elevado al comienzo pero si se observa a futuro se genera un ahorro bastante significativo, si de esta forma se vendiera este tipo de energía serían más los usuarios utilizando esta energía.
6.
REFERENCIAS
[1 Wikipedia [online]. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica ] [2 Wikipedia [online] http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_hidr%C3%A1ulica. ]
640,000
[3 Energia integral amdina [online]. https://www.energiaintegralandina.com/productos/unidad] energia/energia-solar-fotovoltaica.html [4 sitios solar [Online]. http://www.sitiosolar.com/la-historia-de-la-energia-solar-fotovoltaica/ ] [5 coitaoc [Online]. http://www.coitaoc.org/files/estudios/energia_solar_fotovoltaica_2e5c69a6.pdf ] [6 Wikipedia[Online]. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ ] %C3%ADa_solar_fotovoltaica#mediaviewer/File:Swanson-effect.jpg [7 Worldwide growth of cumulated photovoltaic capacity in megawatts grouped by region from ] 2000 until 2013. [Online]. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ %C3%ADa_solar_fotovoltaica#mediaviewer/File:Worldwide_Growth_of_Photovoltaics.png [8 Dinero [online]. http://www.dinero.com/empresas/articulo/energia-solar-opcion-para-tomar] serio/165677